什么是不确定性原理?

不确定性原理,是最具革命性却又是最被低估的量子理论,海森堡通过实验和计算,发现微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样,一个粒子的位置和它的速度,不可能同时被准确测量。并于1927年正式提出了不确定性原理。

不确定性原理与测不准原理不是一回事。不确定性属于微观量子世界的内在秉性,而测不准则是观测技术的问题,二者并没有直接关系。英语“Uncertainty Principle”应直译为“不确定性原理”,而不能译为
“测不准原理”。现在的中国教科书中,已经更正为“不确定性原理”。

不确定性来自两个因素,一是测量工具和测量行为将会不可避免地扰动被测量对象的状态;二是微观量子世界在测量之前,处于量子叠加态,精确确定一个粒子状态存在更深刻更根本的限制。例如,一个电子在被观测之前,可能既是粒子又是波,可能既是上旋又是下旋;被测量之后,叠加态坍缩,但自旋状态仍然是随机的。

不确定原理涉及很多深刻的哲学问题。海森堡说:“在因果律的陈述中,即‘若确切地知道现在,就能预见未来’,所得出的并不是结论,而是前提。我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。”

不确定性原理,关系到世界是否可知的重大哲学问题,其革命意义不言而喻。

相对论的时空弯折理论,理解起来的确烧脑,但在发生日全食的时候,观测通过太阳附近的星光被弯折,已经证实了这一理论。微观量子世界的波粒二象性已经被双缝干涉实验和光电效应所证实。时空弯折和物质波现象的发现,虽然很反直觉,但最终被实验证实了。

不确定性原理不仅反直觉,而且还反科学。不管是哲学还是科学,追求真理是唯一的目的。不确定性原理却告诉你,微观量子世界至少是不可能全知的世界。科学接受了这个现实,并将反对绝对真理作为最基本的科学精神之一。哲学则出现了分化,可知论与不可知论还在互掐中。

爱因斯坦是斯宾诺莎学派的忠实信徒,笃信存在着一个严格遵循科学定律运行的自然。晚年的爱因斯坦对新量子论的驳斥,大多是基于哲学思辨,而不是科学实验。

以爱因斯坦为代表的旧量子派认为,哥本哈根诠释之所以稀奇古怪、离经叛道,是因为他们的量子力学理论本身不完备。并坚信随着人类科学的观测技术不断进步,微观量子世界的所有细节,都可以被完全掌握。

不确定性原理的革命性,在量子论之中是最被严重低估的理论。当科学深入到微观量子领域,要理解这个不可被直接观测看见的世界,只能依赖于数学模型。数学模型与真相之间,究竟有多大的距离,最后还得用数学来解释。而数学本身就是一个充满悖论的学科。要记录所有的物理事件的细节,就要用到所有的实数。实数包含有理数和无理数。无理数也称为无限不循环小数,小数点之后的数字有无限多个,并且不会循环。无理数要写成小数,永远都写不完。连写都写不完,更不要说用它来标记某个物理事件了。

微观量子世界的不确定秉性,也是导致宇称不守恒的根本原因。前面我已经讲过,宇称不守恒是宇宙大爆炸和物质得以部分保留的前提条件。如果一切都是确定的、绝对对称的,物质和反物质的量绝对相等,那么在宇宙大爆炸的瞬间,物质和反物质就已经湮灭殆尽,宇宙则不存在万物,你我也不可能在地球上争争吵吵。

基于微观量子世界的内在秉性和数学工具本身存在的缺陷,科学保持谦虚谨慎的态度,不妄称自己掌握的是绝对真理。

打破绝对真理的神话,有弊也有利。弊就是让人类怀疑自身的认知能力,甚至会丧失探索真理的信心。利就是使科学始终保持谦虚谨慎,避免出现狂热的偶像崇拜。试想,某一天某个人,宣称自己掌握了绝对真理或宇宙真理,那他成了全知全能的宇宙真神,要被顶礼膜拜而可欲所欲为,众生皆要匍匐于他的脚下。这样的世界,不是你我想要的世界。如果宇宙所有的真理都被掌握了,人类的智慧便失去了存在的意义。人类的后代不需要再辛辛苦苦地探索真理了,大脑只需要做一个储存器,把所有的真理拷贝一份就行了。人类的智慧将无所事事,陷入无聊的荒诞之中。

不可全知的世界,对于人类也许并非坏事,至少可以让智慧找到永恒存在的意义。一个变化莫测的世界,至少是一个充满诗意的世界,让人类永无止境地去探索,去赞叹。